​A-level生物蛋白質proteins的結構知識點介紹

同學們(men) 有沒有思考過煎蛋?的時候，剛打下去的蛋清明明是透明的，為(wei) 什麽(me) 加熱煮熟之後就變白了呢？ 想要了解這其中的奧秘，就要講到蛋白質proteins的結構了。

學A-level 生物的時候有沒有覺得蛋白質的構造好難懂、全靠死記硬背？ 別擔心！今天我們(men) 就來好好研究一下這個(ge) 作為(wei) 生物體(ti) 基本構造單位並影響無數生命活動的小分子！

本文目錄

1蛋白的秘密

2蛋白質的四級結構

3蛋白質變質和折疊

4球狀和纖維蛋白的分類

5考試例題參考

NO.1、蛋白的奧秘

 蛋清中含有大量叫做白蛋白(albumin)的蛋白質，由於(yu) 蛋白質中不同氨基酸之間形成的化學鍵（chemical bonds)，白蛋白通常有特定的 3D 形狀。而煎蛋時的加熱會(hui) 導致這些鍵斷裂，暴露出通常隻保留在蛋白質內(nei) 部的憎水性(hydrophobic)氨基酸。 這些憎水性氨基酸為(wei) 了“躲避”蛋清裏的水，相互粘連，形成一個(ge) 蛋白質網絡，這使蛋清結構化，讓蛋清變成不透明的白色。

NO.2、蛋白質的四級結構

想要理解為(wei) 什麽(me) 加熱造成的化學鍵斷裂會(hui) 改變蛋白的結構，我們(men) 就要先學習(xi) 一下每種蛋白質的基本結構~ 蛋白質主要由碳、氫、氧、氮、硫等化學元素組成，要發揮生物學功能，每種蛋白質都需要正確折疊為(wei) 一個(ge) 特定構型，我們(men) 用四級結構來描述每種蛋白質的折疊，分別是：primary,secondary, tertiary and quaternary structure。

1）蛋白質一級結構(Primary structure)是組成蛋白質多肽鏈的線性氨基酸序列 (amino acid sequences)。

2）蛋白質二級結構(Secondary structure) 則是依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵(hydrogen bonds) 形成的穩定結構。最常見的二級結構是α螺旋(α helix)和β折疊(β pleated sheet)。

3）蛋白質三級結構 (Tertiary structure) 是蛋白質分子的3D結構, 主要由構成蛋白質的氨基酸的 R groups之間的相互作用形成。促成三級結構的 R groups 相互作用包括氫鍵(hydrogen bonds)、離子鍵 (ionic bonds)、偶極-偶極相互作用(dipole-dipole interactions) 和非共價(jia) 鍵（non-covalent bonds)。

4）蛋白質四級結構(Quaternary structure)則是由不同多肽鏈（polypeptide chains) 間相互作用形成具有功能的蛋白質複合物分子。有一部分隻有一個(ge) 多肽鏈的蛋白質沒有四級結構，而由不同多肽鏈組成的蛋白質則有四級結構。 我們(men) 熟悉的有四級結構的蛋白質包括在血液中攜帶氧氣的血紅蛋白。血紅蛋白由四個(ge) 多肽鏈組成，α 和 β chains 各兩(liang) 個(ge) 。

如果你對四級結構感到很“懵”的話，不妨把蛋白質想成條形的軟糖（正是下圖⬇️）

不同的氨基酸序列組成了多肽鏈一級結構，就像一根根軟糖一樣。這些多肽鏈間形成氫鍵，構建成a helix和 B-pleated sheet兩(liang) 種不同的二級結構。因為(wei) 不同多肽鏈之間有不同的相互作用(interactions)，形成了不同的化學鍵，所以每個(ge) 蛋白質都形成不同的三級、四級結構，就像纏繞在一起的軟糖。

NO.3、蛋白質變性和折疊

我們(men) 之前提到，每種蛋白質都有其獨特的形狀。如果蛋白質環境的溫度或 pH 值發生變化(比如溫度過高或環境的酸性過高），或者如果它暴露在化學物質中，分子間的相互作用就可能會(hui) 被破壞，導致蛋白質失去其三維結構，重新變成非結構化的氨基酸串。（三維結構莫得了...）

當一個(ge) 蛋白質失去了它的高級結構（二、三、或者四級結構）而一級結構依然完整，我們(men) 就說它變性了(denatured)。因為(wei) 蛋白質的結構決(jue) 定它的生物功能，所以變性蛋白質通常是無功能的(non-functional)。

對於(yu) 某些蛋白質來說，變性是可以逆轉的。由於(yu) 多肽的一級結構仍然完整（氨基酸沒有分裂），如果它回到正常環境，它可能能夠重新折疊成其功能形式。

然而，其他時候，變性是永久性的。比如我們(men) 一開始提到的煎蛋的例子：液體(ti) 蛋清中的白蛋白在爐子的熱量作用下變性，變成不透明的固體(ti) ，即使冷卻也不會(hui) 恢複到原來的生雞蛋狀態...

NO.4、球狀和纖維蛋白

蛋白質可以根據不同的形狀和功能分成兩(liang) 大類：球狀蛋白和纖維蛋白（見下圖）。

球狀蛋白質呈球形，具有與(yu) 水形成膠體(ti) 的特性，可以溶解在水中。 纖維蛋白也稱為(wei) 硬蛋白，是細長的鏈狀結構。纖維蛋白不溶於(yu) 水、弱酸和弱堿，但溶於(yu) 強酸和強堿。組成纖維蛋白的多肽鏈通過強分子間氫鍵(strong intermolecular hydrogen bonds)結合在一起，而在球狀蛋白中則是通過弱分子間氫鍵(weak intermolecular hydrogen bonds)結合在一起。下圖總結了兩(liang) 種蛋白特性上的對比~

回到我們(men) 剛剛學習(xi) 的蛋白質四級結構，纖維蛋白隻具有一級和二級結構。它們(men) 由重複多次的單個(ge) 單元或結構組成。這讓纖維蛋白對酶的消化具有很強的抵抗力，並且其結構具有極強的張力。而球狀蛋白質不僅(jin) 有一級、二級結構，還由三級結構、偶爾的四級結構組成。 當然，除了形狀和結構的不同之外，球形和纖維蛋白也有生物功能上的區別。球狀蛋白質具有多種功能，用於(yu) 形成酶、信使細胞、氨基酸等具有明確功能的蛋白質，比如血紅蛋白、免疫球蛋白、胰島素和乳蛋白酪蛋白等。 而纖維蛋白多是結構性蛋白的原料，結締組織、肌腱和肌肉纖維等堅韌結構的形成都需要纖維蛋白。膠原蛋白就是一種纖維蛋白，是我們(men) 所有結締組織的主要成分。纖維蛋白還負責產(chan) 生關(guan) 節處肌肉和肌腱的運動等。

NO.5、考試例題

學習(xi) 了protein structure的知識之後，我們(men) 來看幾道例題吧~

【例題】

【解析】我們(men) 剛剛學到蛋白質一級結構是由氨基酸amino acids排序組成的，各個(ge) 氨基酸之間由peptide bonds連接成為(wei) 多肽鏈，所以答案為(wei) Peptide bonds。

【例題】

【解析】這道題還是考察primary structure 的知識。我們(men) 知道一級結構包括氨基酸的排列序列，所以我們(men) 也可以從(cong) primary structure 中得知總共氨基酸的數量。另外，一級結構影響蛋白質接下來的折疊和更高級的結構，間接影響蛋白質的生物功能。所以三個(ge) 選項都正確，答案為(wei) all of these。

【例題】

【解析】我們(men) 知道Tertiary structure 三級結構是在描述蛋白質的3D形狀，也是它有生物功能(biologically-active）的最終形狀之一。另外，我們(men) 上一題中也提到，一級結構影響更高級的結構，就包括三級結構。故答案為(wei) All of these。

結 語  今天的推文中我們(men) 主要講解了蛋白質的四級結構、蛋白質如何折疊、還有蛋白質變性。熟悉各個(ge) 生物分子的結構是A-level生物學生的必修課（我的生物變強了，我也變禿了...），希望今天的內(nei) 容對大家有所幫助，下期再見啦~

LindaReferences:

https://www.khanacademy.org/science/biology/macromolecules/proteins-and-amino-acids/a/orders-of-protein-structure；

https://alevelnotes.com/notes/biology/biological-molecules/biological-molecules/protein-structure